温度传感器及其选择应用

1.温度测量

通常分为：接触式温度传感器和非接触式温度传感器。

接触式温度传感器的特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。

非接触式温度传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。

2.热电偶传感器

热电偶在温度的测量中应用十分广泛。它构造简单，使用方便，测温范围宽，并且有较高的精确度和稳定性。

2.1 热电偶测温原理

1.热电效应

两种不同材料的导体组成一个闭合回路时，若两接点温度不同，则在该回路中会产生电动势。这种现象称为热电效应，该电动势称为热电势。

结点产生热电势的微观解释及图形符号。

两种不同的金属互相接触时，由于不同金属内自由电子的密度不同，在两金属A和B的接触点处会发生自由电子的扩散现象。自由电子将从密度大的金属A扩散到密度小的金属B，使A失去电子带正电，B得到电子带负电，从而产生热电势。

普通装配型热电偶的外形：

（2）铠装热电偶（缆式热电偶）

铠装热电偶是将热电偶丝与电熔氧化镁绝缘物溶铸在一起，外表再套不锈钢管等构成。这种热电偶耐高压、反应时间短、坚固耐用。

铠装型热电偶外形：

（3）薄膜热电偶

用真空镀膜技术或真空溅射等方法，将热电偶材料沉积在绝缘片表面而构成的热电偶称为薄膜热电偶。

测温范围为-200~500℃。测量端既小又薄，热容量小，响应速度快。适用于测量微小面积上的瞬变温度。

（4）表面热电偶

主要用于现场流动的测量，广泛用于纺织、印染、造纸、塑料及橡胶工业；探头有各种形状(弓形、薄片形等)，以适应于不同物体表面测温用。在其把手上装有动圈式仪表，读数方便。测量温度范围有0~250℃和0~600℃两种。

（5）防爆热电偶

在石油、化工、制药工业中，生产现场有各种易然、易爆等化学气体，这时需要采用防爆热电偶。它采用防爆型接线盒，有足够的内部空间、壁厚及机械强度，其橡胶密封圈的热稳定性符合国家的防爆标准。因此，即使接线盒内部爆炸性混合气体发生爆炸时，其压力也不会破坏接线盒，其产生的热能不能向外扩散传爆，可达到可靠的防爆效果。

2.热电偶组成材料及分度表

为了准确可靠地进行温度测量，必须对热电偶组成材料严格选择。

目前工业上常用的四种标准化热电偶材料为：

铂铑30-铂铑6、铂铑10-铂、镍铬-镍硅、镍铬-铜镍（我国通常称为镍铬－康铜）。

组成热电偶的两种材料写在前面的为正极，后面的为负极。

热电偶的热电动势与温度之关系表，称之为分度表。

八种国际通用热电偶：

B：铂铑30—铂铑6、R：铂铑13—铂、S：铂铑10—铂、K：镍铬—镍硅、N：镍铬硅—镍硅、E：镍铬—铜镍、J：铁—铜镍、T：铜—铜镍。

几种常用热电偶的测温范围及热电势：

3.热电阻式传感器

金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。

金属热电阻的主要材料是铂和铜。

热电阻广泛用来测量-220～+850℃范围内的温度， 少数情况下，低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。

3.1 常用热电阻

金属热电阻传感器一般称作热电阻传感器，是利用金属导体的电阻值随温度的变化而变化的原理进行测温的。

金属热电阻的主要材料是铂和铜。

热电阻广泛用来测量-220～+850℃范围内的温度， 少数情况下，低温可测量至1K（-272℃），高温可测量至1000℃。

1.铂热电阻的电阻—温度特性

铂电阻的特点是测温精度高，稳定性好，所以在温度传感器中得到了广泛应用。铂电阻的应用范围为-200～+850℃。

铂电阻的电阻—温度特性方程，在 -200～0℃的温度范围内为：

Rt=R0[1+At+Bt2+Ct3(t-100)]

在0～+850℃的温度范围内为：Rt=R0(1+At+Bt2)

易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻：

热敏电阻的外形、结构及符号：

3.3 热敏电阻

半导体热敏电阻简称热敏电阻，是一种新型的半导体测温元件。

热敏电阻是利用某些金属氧化物或单晶锗、硅等材料，按特定工艺制成的感温元件。热敏电阻可分为三种类型，即：

正温度系数（PTC）热敏电阻；负温度系数（NTC）热敏电阻。

在某一特定温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻器（CTR）。

热敏电阻的应用：PTC突变型热敏电阻主要用作温度开关，PTC缓变型热敏电阻主要用于在较宽的温度范围内进行温度补偿或温度测量。

CTR热敏电阻主要用作温度开关。

1.温度测量

用于测量温度的热敏电阻一般结构较简单，价格较低廉。没有外面保护层的热敏电阻只能应用在干燥的地方；密封的热敏电阻不怕湿气的侵蚀，可以用在较恶劣的环境下。由于热敏电阻的阻值较大，故其连接导线的电阻和接触电阻可以忽略，使用时采用二线制即可。

2.温度补偿

热敏电阻可在一定的温度范围内对某些元件进行温度补偿。例如，动圈式仪表表头中的动圈由铜线绕成，温度升高，其电阻值增大，引起测量误差，为此可在动圈回路中串入由负温度系数热敏电阻组成的电阻网络，从而抵消由于温度引起的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联。

如何选择正确的温度传感器：

有许多不同类型的传感器可用于温度测量。最常见的三种温度传感器是电阻温度检测器（RTD）、热电偶（TC）和热敏电阻。它们具有的特定工作参数会使其更适于某些应用。固态传感器也可用于中等温度范围应用，并且具有内建信号调理和容易连接的优点——在某些情况下带直接数字串行接口。

热电偶

到目前为止，最常用的温度传感器是热电偶或TC。主要原因是热电偶成本低，极其耐用，能远距离工作，自行供电，并且热电偶的类型较多能覆盖较宽的温度范围。低成本在许多应用中都很有说服力。坚固耐用意味着它们能在许多不同的工作环境（包括室外和严酷的工厂环境）中持续地工作。提供带金属屏蔽的TC有助于在严酷的或腐蚀性的环境中保护TC，或者TC在导管中工作。不同的合金可以实现不同的量程和测量灵敏度。一些常见TC的类型包括J、K、T、E、R、S、B和N，这指的是TC的构建材料类型（如表1中所示）。J、K和T型是最常见的并且以卷轴和预制的形式提供。您可以在NIST（美国国家标准与技术研究院，网址是：www.nist.gov）的参考表中找到全部热电偶类型的量程。

热电偶的一个重要特点是非线性；也就是说，热电偶的输出电压与温度是非线性的。因此，为了将输出电压准确转换为温度需要数学线性化。

热电偶是由一端两种不同的合金接合（焊接或绞合）并且另一端开路构成的。它们的工作原理是热电效应并且可以认为当两种不同金属之间存在热量差（也称为塞贝克效应）时，这两种金属的结就产生一个电压。

开路端或输出端的电压信号是闭合端温度的函数。随着温度升高，电压信号也随之上升。

常见错误

避免设置和使用热电偶的一些常见错误可以获得更好的测量结果。一个常见问题是CJC没有正确地或者根本没有配置或补偿。这会导致温度测量的不准确或非线性。

另一个错误是使用铜线连接热电偶和测量器件。通常，测量器件（电压表、DMM等）具有铜输入端子。使用另一种合金（锡、铝等）实质上在测量中引入了另一个热电偶。这是因为任何不同金属的结形成热电偶。在测量设备方面，使用电压表的灵敏度和准确度不一定足够用于热电偶测量。为避免这个问题，务必要让电压表具有足够的灵敏度和准确度用于热电偶的低压信号（微伏至毫伏）。进行正确的屏蔽也能防止所有外部噪声。用导电屏蔽环绕感测电路并将屏蔽连至电路或测量LO以实现最大效果。

RTD

一种最准确的温度传感器是电阻温度检测器或RTD。在RTD中，器件电阻与温度成比例。RTD最常见的材料是铂，其中某些RTD用其它金属（例如镍和铜）制成。

RTD温度测量量程较宽。取决于RTD是如何构建的，RTD能测量–270℃～+850℃范围的温度。RTD需要外部激励（通常是电流源）才能正常工作。然而，阻性元件中电流产生的热量会导致温度测量的误差。测量误差用下面的公式计算：

△T=P×S

其中，T是温度，P是产生的I平方功率，并且S是摄氏度/毫瓦。

使用RTD测量温度有许多种方法。首先是2线法。这种方法施加电流至RTD并测量产生的电压。这种方法的优点是简单，只需要使用2条测试线，因而容易连接和实现。主要的缺点是测试线电阻是测量的一部分，这会引入一些测量误差。

2线法的改进是3线法。同样地，输入电流至器件并测量产生的电压。然而，3线法提供了测试线电阻补偿。这需要3线测量补偿单元或实际测量第3条线的贡献再从测量总结果中减去它。

第3种方法是4线法，这常见于基准传感器的校准实验室。类似于其它两种方法，输入电流至RTD并测量产生的电压。但是，电流输出到一对测试线中，并且电压在另一对线上测量。这种方法能完全补偿测试线电阻。

电压在阻性元件上测量，不是在输出电流的同一点上测量，这意味着测试线电阻完全在测量通路之外。换句话说，测试线电阻不是实际电压测量的一部分。

例如，考虑测试线电阻约为0.2Ω并且RTD具有100Ω电阻。在这个例子中，测试线电阻约为测试电路总电阻的0.2%。使用4线法，测试线电阻不是测量电路的一部分，因此仅测量RTD的电阻。这消除了0.2%的测量误差从而实现更准确的测量。

当使用RTD时，许多常见现象经常没有考虑，最重要的是自发热。测试电流流过RTD产生的自发热会产生测量误差。如果测量低温（低于0℃），RTD产生的热量会使预期的温度降低。而且，如果没有补偿测试线，测量中会引入更多的误差。使用4线法有助于消除这种类型的误差。另一个常见错误是没有选择合适的RTD温度量程。尝试测量RTD温度量程之外的温度会导致更大误差甚至损坏传感器。

热敏电阻：

另一种常见的温度传感器是热敏电阻。像RTD一样，热敏电阻的电阻值会随着温度变化而变化。热敏电阻的灵敏度比RTD高，这意味着热敏电阻随温度变化产生的电阻值变化量要比RTD的多得多。

大多数热敏电阻具有负温度系数，这意味着电阻值随着温度升高而降低。而且，热敏电阻比RTD的线性度低并需要校准因子。Steinhart-Hart方程描述了热敏电阻的电阻随温度的变化，并有助于估计单个热敏电阻曲线。（计算该曲线的一个很好的例子可以在这里下载：http://www.reed-electronics.com/tmworld/software/stinhart.zip。）

此方程是：1/T=A+B×(lnR)+C×(lnR)2

其中：

T是绝对温度；R是热敏电阻的电阻值；

A、B和C是通过校准过程确定的曲线拟合常数，In是自然对数函数（以e为底的对数）

常见错误

不考虑自发热并且选择温度量程不够的器件是使用热敏电阻的常见错误。然而，有一些方法能降低自发热。典型的测试电流是恒定的直流电流。使用脉冲直流电流有助于降低自发热效应，因为电流仅施加到测量周期的较短部分，因此降低了热敏电阻产生的总功率。

另一个常见错误是测量的温度在热敏电阻量程之外。一定要考虑测量温度的范围。请记住，热敏电阻的温度量程约为几百摄氏度。一些制造商甚至警告即便在工作极限以下延长暴露会导致热敏电阻漂移至容限外。

测量温度时有许多种传感器供选择。热电偶、RTD和热敏电阻是当今最常见的三种传感器。（表2提供了三种传感器类型的比较。）热电偶是最广泛使用的传感器。它们具有最宽的测量范围并用于火焰温度、气炉/电炉和加热系统。热敏电阻主要用于人类环境温度（0℃~30℃），例如冰箱和恒温箱，但是RTD最准确并被广泛用于校准/标准应用。每种传感器都有优、缺点。选择合适的传感器对于实现准确、可靠的温度测量非常重要。